Ihmiset ovat aina unelmoinneet avaruusmatkoista, kiehtoutuneina tuntemattomista maailmoista ja halusta tutkia kaukaisia galakseja. Suurin este avaruusmatkoille ovat valtavat etäisyydet. Tässä artikkelissa käsittelemme avaruuden valtavia etäisyyksiä ja aikaa, joka tarvitaan kaukaisiin tähtiin ja kohteisiin pääsemiseen avaruusaluksilla eri nopeuksilla. Havainnollistaaksemme, kuinka valtava avaruus on, laskimme, kuinka kauan kestäisi saavuttaa joitakin taivaankappaleita autolla ja ihmiskunnan rakentamalla nopeimmalla avaruusaluksella. Laskimme myös, kuinka pitkälle voisimme matkustaa valon nopeudella. Vaikka valon nopeus ei riitä matkustamaan kauas avaruuteen, käännyimme tieteiskirjallisuuden sarjan Star Trek puoleen, jossa avaruusalukset saavuttavat nopeuksia, jotka ovat paljon valoa nopeampia kuvitteellisen Warp-voiman avulla.
Auto, joka matkustaa jatkuvasti 130 km/h (80 mph)
Kuvitellaan, että voisimme matkustaa avaruudessa autolla. Monissa maissa ympäri maailmaa moottoriteillä sallittu suurin nopeus on 130 km/h tai 80 mph, joten käytimme tätä nopeutta laskelmissamme. Auto voisi lopulta saavuttaa Kuun, matka kestäisi noin 123 päivää. Marsiin matka kestäisi pitkät 48 vuotta, kun se on lähimpänä Maata, ja jopa 352 vuotta, kun se on kauimpana. New Horizons -avaruusluotain saavutti Pluton, kääpiöplaneetan aurinkokunnan laidalla, 9,5 vuodessa. Autolla tämä matka kestäisi vähintään 3 750 vuotta. Proxima Centauri on lähin tähti Maasta, joka on 4,24 valovuoden päässä. Tämän tähden saavuttamiseen autolla kestäisi 35 miljoonaa vuotta.
Pluton värikäs koostumus. Luotto: NASA/Johns Hopkinsin yliopiston sovelletun fysiikan laboratorio/Lounais-tutkimusinstituutti
Voyager 1 – Nopein ihmisen rakentama avaruusalus
Voyager 1, joka laukaistiin jo vuonna 1977, on nopein koskaan ihmiskunnan luoma avaruusalus, joka matkustaa avaruudessa noin 61 000 km/h (noin 38 000 mailia tunnissa). Kuitenkin Voyager 1 ei ole nopein koskaan rakennettu avaruusalus. Parker Solar Probe saavuttaa nopeuksia, jotka ovat 700 000 km/h (noin 430 000 mailia tunnissa), mutta tämä nopeus saavutetaan vain, kun se kulkee lähimpänä Aurinkoa, hyödyntäen Auringon painovoimaa kiihdyttämiseen. Toisaalta Voyager 1 matkustaa avaruudessa ja on tällä hetkellä kaukaisin ihmisen rakentama kohde.
Voyager 1 siirtymässä tähtienväliseen avaruuteen, taiteilijan käsite. Luotto: NASA/JPL-Caltech
Joten, kuinka nopeasti Voyager 1 liikkuu, ja kuinka kauan kestäisi kattaa valtavat kosmiset etäisyydet? Voyager 1 voisi saavuttaa Kuun noin 6 tunnissa nykyisellä nopeudellaan. Maasta Marsiin kestäisi hyväksyttävät 37 päivää, kun Mars on lähimpänä Maata, ja matka kaukaiseen Plutoon kestäisi kahdeksan vuotta. Proxima Centauriin, lähimpään tähteen Maasta, kestäisi järkyttävät 75 000 vuotta. Näistä laskelmista voidaan päätellä, että nykyiset teknologiset kykymme riittävät tuskin aurinkokunnan tutkimiseen, ja vain ilman ihmismiehistöä. Ehkä lähitulevaisuudessa voimme lähettää miehistön Marsiin, planeettaan, joka on lähimpänä Maata. Toistaiseksi teknologiamme ei ole tarpeeksi kehittynyttä lähettämään tutkimuslentoja lähimpiin tähtiin.
Matkustaminen valon nopeudella
Valon nopeus tyhjössä on noin 299 792 km/s (noin 186 282 mailia/s), mikä vastaa suunnilleen 1,08 miljardia km/h (noin 671 miljoonaa mailia tunnissa). Fysiikan lakien mukaan, kuten Einsteinin suhteellisuusteoriassa kuvataan, tämä on mahdollinen korkein nopeus.
Tähtien kattila galaksin keskuksessa. Luotto: NASA/JPL-Caltech
Suhteellisuuden mukaan on teoreettisesti mahdotonta, että massalliset objektit, kuten avaruusalukset tai ihmiset, matkustaisivat valon nopeudella. Kun objektin nopeus kasvaa, sen massa käytännössä kasvaa, mikä vaatii yhä enemmän energiaa kiihtymiseen. Suuren massan omaavan objektin kiihtyminen valon nopeuteen vaatisi äärettömästi energiaa, mikä tekee tällaisen matkustamisen mahdottomaksi nykyisen tieteellisen ymmärryksen mukaan.
Jätetään fysiikan lait hetkeksi huomiotta ja oletetaan, että matkustaminen valon nopeudella on mahdollista. Jos ihmiskunnalla olisi avaruusalus, joka pystyy matkustamaan valon nopeudella, kuinka pitkälle voisimme mennä avaruudessa? Olisiko koko universumi sitten ulottuvillamme? Tässä on laskelmamme.
Valon nopeudella Kuun saavuttamiseen kestäisi vain 1,28 sekuntia, Marsiin pääsemiseen 3 minuuttia ja Plutoon saavuttamiseen 4 tuntia. Valon nopeus olisi ihanteellinen nopea matkustamiseen aurinkokunnassa. Mutta onko valon nopeus riittävä tähtienväliseen matkustamiseen? Proxima Centauri, lähin tähti meistä, on 4,24 valovuoden päässä. Tämä tarkoittaa, että valolla kestää 4,24 vuotta saavuttaa Proxima Centauri, ja paluumatka kestäisi saman ajan. Tällaiset matkat voisivat olla mahdollisia ihmismiehistöillä, mutta tällaisen avaruusaluksen matkustajat joutuisivat viettämään merkittävän osan elämästään avaruudessa.
Maapallon ympärillä on noin 50 tähteä, jotka sijaitsevat noin 15 valovuoden etäisyydellä. Avaruusalus, joka pystyy matkustamaan valon nopeudella, mahdollistaisi tämän avaruuden osan tutkimisen, todennäköisesti miehittämättömillä tutkimuslaitteilla. Voimme päätellä, että valon nopeus on riittävä matkustamaan lähimpiin tähtiin, mutta matkustaminen galaksimme tai muiden galaksien kaukaisiin osiin olisi mahdotonta matkojen keston vuoksi.
Esimerkiksi lähin musta aukko, V616 Monocerotis, on 3 300 valovuoden päässä maapallosta, joten sen saavuttaminen valon nopeudella kestäisi yhtä monta vuotta. On selvää, että tällainen matka ei ole toteutettavissa tai järkevää.
Saavuttaaksemme galaksimme keskuksen, kestäisi meiltä 26 000 vuotta, ja matka Andromedaan, lähimpään spiraaligalaksiin, kestäisi huikeat 2,537 miljoonaa vuotta.
Nopeampi kuin valo -matkustus
Maailmankuulussa scifi-franchisessa Star Trek avaruusalukset matkustavat nopeuksilla, jotka ovat paljon nopeampia kuin valon nopeus. Tämä on mahdollista kuvitteellisen warp-voiman ansiosta. Warp-voima Star Trek:ssä mahdollistaa avaruusalusten matkustaa nopeammin kuin valo luomalla "pallon", joka vääristää aika-avaruuden aluksen ympärillä. Tällä tavalla alus ei riko valon nopeuden ylittämisen lakia avaruudessa, vaan liikuttaa aika-avaruuden ympärillään. Vaikka tämä voima on kuvitteellinen, tiedemiehet ovat kehittäneet teoreettisen mallin voimasta, joka perustuu samanlaiseen ideaan.
Alcubierre Drive on teoreettinen käsite, joka ehdottaa menetelmää nopeammalle kuin valo -matkustamiselle vääristämällä aika-avaruuden. Tämän idean mukaan avaruusalus ei oikeasti matkustaisi nopeammin kuin valo, vaan se luo "pallon" ympärilleen, joka supistaa aika-avaruuden aluksen edessä ja laajentaa sen takana. Tällä tavalla alus liikkuisi tehokkaasti aika-avaruudessa pysyen paikallaan suhteessa pallon sisäpuoliseen avaruuteen. Tämän toimimiseksi teoria ehdottaa eksoottisen aineen tarvetta, jolla on negatiivista energiaa, jota tiedemiehet eivät ole vielä löytäneet tai luoneet. Voit lukea lisää Alcubierre-voimasta täältä.
Star Trek ja Warp-voima
Vaikka tiedemiehet eivät ole vielä ratkaisseet kaikkia esteitä Alcubierre-voiman rakentamiselle, palataanpa Star Trek:iin ja warp-nopeusmatkustukseen. Star Trek:ssä avaruusalukset matkustivat käyttäen warp-voimia. Tekniikan kehittyessä warp-nopeudet kasvoivat nopeammiksi. Warp 1 vastaa valon nopeutta, Warp 2 on kymmenen kertaa nopeampi kuin valon nopeus, Warp 3 on 39 kertaa nopeampi ja niin edelleen. Valitsimme kolme kuuluisaa avaruusalusta Star Trek:stä, joiden maksiminopeudesta on saatavilla tietoa. Vaikka sarjan avaruusalukset eivät voineet jatkuvasti matkustaa maksimivauhdilla, laskelmiemme vuoksi käytämme niiden kykeneviä maksiminopeuksia.
Kaptain Jonathan Archerin avaruusalus Star Trek: Enterprise
Tällä aluksella on nimitys NX-01. Se on ensimmäinen alus Enterprise-sarjassa, ja sillä on keskeinen rooli avaruuden tutkimisessa ja tulevan Liiton perustamisessa. Sen maksimi nopeus on Warp 5, mikä on 214 kertaa valonnopeus. Tällä Enterprise-aluksella Plutolle matkustaminen Maasta kestäisi vain puolitoista minuuttia. Lähimmän tähden, Proxima Centaurin, saavuttaminen kestäisi seitsemän päivää ja lähimmän mustan aukon, V616:n, saavuttaminen 15 vuotta. Galaksimme keskukseen pääseminen kestäisi huimat 121 vuotta, ja Andromedaan matkustaminen kestäisi uskomattomat 11 853 271 vuotta.
Tämä alus kattaisi noin 17 valovuotta maksiminopeudella 30 päivässä. Maan ympärillä 17 valovuoden säteellä on noin 50–60 tähtijärjestelmää, joissa on noin 100 tähteä.
Kaptain Jean-Luc Picardin avaruusalus Star Trek: The Next Generation
Kaptain Jean-Luc Picardin avaruusalus Star Trek: The Next Generation -sarjassa oli nimeltään USS Enterprise (NCC-1701-D). Se oli viides alus, joka kantoi Enterprise-nimeä, ja se on yksi kuuluisimmista aluksista Star Trek -franchisingissa. Sen maksimi nopeus on Warp 9.6, mikä on 1 909 kertaa valonnopeus.
Picardin Enterprise saavuttaisi Proxima Centaurin vain 19 tunnissa ja 28 minuutissa, ja mustan aukon V616 Monocerotisiin pääseminen kestäisi noin vuoden ja yhdeksän kuukautta. Galaksimme keskukseen pääseminen kestäisi 13 vuotta ja seitsemän kuukautta, ja Andromedaan matkustaminen kestäisi 1 328 vuotta.
30 päivässä tämä alus voisi kattaa 156 valovuotta. Maan ympärillä 156 valovuoden säteellä on noin 40 000–60 000 tähteä.
Kaptain Kathryn Janewayn avaruusalus Star Trek: Voyager
Kaptain Kathryn Janewayn avaruusalus Star Trek: Voyager -sarjassa on nimeltään USS Voyager (NCC-74656). Se on Intrepid-luokan alus, joka tunnetaan sen tehtävästä Delta-kvadrantissa. Sen maksimi nopeus on Warp 9.975, mikä on 5 126 kertaa valonnopeus. Voyager saavuttaisi Proxima Centaurin vain seitsemässä tunnissa. Mustan aukon V616 saavuttaminen kestäisi seitsemän kuukautta ja galaksimme keskukseen pääseminen viisi vuotta. Andromeda on yhä tavoittamattomissa, ja tälle avaruusalukselle sinne pääseminen kestäisi 495 vuotta.
Maksiminopeudella, 30 päivässä, tämä avaruusalus voisi kattaa 421 valovuotta. Maan ympärillä 421 valovuoden säteellä on noin 1,25 miljoonaa tähteä.
Avaruuden matkustamisen tulevaisuus
Avaruuden valtavuus on rajoittava tekijä avaruusmatkustamiselle. Nykyisin rakentamamme avaruusalukset voivat saavuttaa kaukaisia osia aurinkokunnastamme ja kohteita kuten Pluto yli 10 vuodessa. Tähtienvälinen matkustaminen on tällä hetkellä mahdotonta, sillä nopeimmilla avaruusaluksillamme kestäisi 150 000 vuotta saavuttaa lähin tähti ja palata takaisin. Tällä hetkellä olemme rajoittuneet matkustamaan aurinkokunnassamme. Tähtienvälistä matkustamista varten teknologiamme pitäisi saavuttaa vähintään 20 % valon nopeudesta, jotta luotain voisi saavuttaa lähimmän tähden noin 20 vuodessa. Suunnitelmia tällaisen avaruusaluksen rakentamiseksi, joka kiihdyttäisi voimakkaiden laserien avulla Maasta, on olemassa, mutta meidän pitäisi odottaa vielä neljä vuotta, jotta saamme tietoa, jonka tällainen luotain keräisi.
Lähimmät galaksit, Linnunrata ja Andromeda. Kuva: NASA Goddard
Jotta voisimme onnistuneesti tutkia lähimpiä tähtiä, meidän tulisi saavuttaa nopeus, joka on lähellä valon nopeutta. Tämä tekisi noin 50 tähteä 15 valovuoden etäisyydellä Maasta saavutettaviksi tieteellistä tutkimusta varten, vaikka tällaiset matkat olisivat hyvin pitkiä, ja tietojen vastaanottamiseen luotaimilta kestäisi useita vuosikymmeniä. Avaruus on niin valtava, että jopa avaruusalukset, jotka pystyvät matkustamaan valon nopeudella, sallivat meidän tutkia vain lähimpiä tähtiä.
Jos valon nopeuden saavuttaminen on mahdotonta eikä nopeampi kuin valo -matkustaminen ole toteutettavissa, mahdollisuus kohdata kehittynyt avaruusolento sivilisaatio on äärimmäisen pieni. Universumi saattaa olla täynnä elämää, mutta avaruuden valtavat välimatkat tekevät kontaktin sivilisaatioiden välillä lähes mahdottomaksi, ainakin meidän universumimme osassa. Poikkeuksena voisivat olla tähdet tähtijoukoissa, kuten pallomaisissa tähtijoukoissa, joissa tähdet voivat olla vain 0,1 valovuoden päässä toisistaan. Kuitenkin jopa näin pieni etäisyys on uskomattoman suuri sivilisaatiolle kuten meidän. Voyager 1 kestäisi noin 1 769 vuotta saavuttaakseen tähden, joka on 0,1 valovuoden päässä.
Onko nopeampi kuin valo -matkustaminen mahdollista?
Teoreettisesti nopeampi kuin valo -matkustaminen on kiehtovaa, mutta nykyisten tieteellisten lakien, erityisesti Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan, massalla varustettujen objektien liikkuminen nopeammin kuin valo on mahdotonta. Kuitenkin useat teoreettiset ideat ehdottavat mahdollisuutta "ohittaa" tämä rajoitus:
Alcubierre-moottori
Tämä käsite, jonka ehdotti fyysikko Miguel Alcubierre vuonna 1994, perustuu avaruusalusta ympäröivän "kuplan" luomiseen, jonka sisällä aika-avaruus pysyy ehjänä. Kupla supistaisi tilaa aluksen edessä ja laajentaisi sitä takana, mikä mahdollistaisi nopeamman kuin valo -matkustamisen. Avaruusalus ei oikeasti liikkuisi avaruudessa nopeammin kuin valo, mutta sen ympärillä oleva avaruus olisi vääristynyt. Ongelmana on, että tämä vaatisi eksoottista ainetta, jolla on negatiivista energiaa, jota ei ole vielä todistettu tai löydetty.
Mustareit
Mustareit ovat hypoteettisia tunneleita avaruusajassa, jotka voisivat yhdistää etäisiä pisteitä universumissa. Matkustaminen mustareikien läpi voisi mahdollistaa tehokkaan "lyhyen reitin" avaruuden halki, mikä tarkoittaa, että matkustajan ei tarvitsisi kulkea koko välimatkaa kahden pisteen välillä.
Vaikka mustareit ovat matemaattisesti mahdollisia yleisessä suhteellisuusteoriassa, ei ole todisteita siitä, että ne todella olemassa tai pysyisivät tarpeeksi vakaana käytännön käyttöä varten. Lisäksi niiden ylläpito voisi vaatia eksoottista ainetta.
Takyonit
Teorian mukaan takyonit ovat hypoteettisia hiukkasia, jotka liikkuvat aina nopeammin kuin valo. Kuitenkin niiden olemassaoloa ei ole todistettu. Jos takyonit todella olisivat olemassa, ne rikkovat joitakin fysiikan peruslakeja, kuten syy-seuraussuhdetta, mikä voisi johtaa paradokseihin, kuten matkustamiseen taaksepäin ajassa.
Warp-ajo
Star Trek-sarjassa warp-ajo käyttää käsitettä, joka on samanlainen kuin Alcubierre-ajo, jossa avaruusalus ei matkusta nopeammin kuin valo perinteisessä mielessä, vaan vääristää avaruusaikaa ympärillään. Vaikka tämä on fiktiivistä, tämä ajatus on inspiroinut todellisia fyysikoita tutkimaan avaruusajan vääristämisen mahdollisuuksia.
Kvasi-kristalliset avaruudet tai korkeammat ulottuvuudet
Joissakin teorioissa, kuten säieteoriassa, universumissa on enemmän ulottuvuuksia kuin voimme havaita. Matkustaminen korkeammissa ulottuvuuksissa voisi mahdollistaa "lyhyitä reittejä" kolmiulotteisessa avaruudessa. Tämä ajatus on edelleen erittäin spekulatiivinen, mutta teoreettisesti kiehtova.
Vaikka nämä ideat ovat mielenkiintoisia, suurin osa niistä on edelleen teorian ja scifi-kirjallisuuden alueella. Tällä hetkellä meillä ei ole tarvittavaa teknologiaa tai materiaaleja nopeammin kuin valon matkustamiseen, mutta jatkuva tutkimus eksoottisesta aineesta, avaruusajasta ja kvanttifysiikasta tarjoaa edelleen uusia mahdollisuuksia tulevaisuudelle.